이차전지의 재활용
리튬 이차전지는 여러 매체를 통해 알려진 바와 같이 전기차 수요의 증가, 다양한 소형 전자장치의 개발 등에 따라 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 하지만, 이차전지는 사용 한계가 존재하고 사용 한계를 넘은 이차전지는 성능상의 문제가 발생하기 때문에 폐기된다. 이러한 폐 이차전지의 용도를 변환하여 사용 기간을 증가시키고, 재활용하여 원천 재료에 대한 수요 증가를 일정부분 감소시켜 원자재 수급 문제에 대응하는 방안에 대한 논의가 현재 진행되고 있다. 이러한 이차전지 재활용은 환경 영향을 감소시키고, 제작에 들어가는 에너지 저감, 원자재 공급 제약 완화, 경제성 확보 등 다양한 장점이 있다. 이러한 이차전지의 재활용에는 크게 두가지 방안이 존재하는데 이를 재사용(Re-use)과 재활용(Re-cycle)이라고 한다. 이러한 리튬 이차전지의 재활용은 전기자동차 산업에서 가장 크게 이루어질 것으로 예상된다. 하지만 현재 전기자동차용 이차전지의 경우 기업별로 다양한 형태와 크기로 설계되어 탈거 및 해체작업의 자동화가 어려워 작업자의 수작업으로 진행되는 노동집약적 방향으로 진행될 수밖에 없는 상황이다. 또한, 해체 중 유독가스의 발생 및 화재가 발생할 수 있기 때문에, 이에 대비한 소방설비 및 적재, 보관 시스템이 구비되어야 한다.
재사용(Re-use)
재사용은 전기차의 배터리와 같이 특정 성능 이하(초기 용량대비 70%)로 감소하면 주행거리 감소, 충전 속도 저하 및 안전성 위험 증가와 같은 운행상의 문제가 생겨 더 이상 기존 목적으로 사용이 불가능한 이차전지를 ESS(에너지 저장 장치: Energy Storage System)의 전원으로 사용하는 방안이 대표적이다. 주로 태양광 패널의 백업용 전력 저장을 위한 전지로 사용된다. 효율이 다소 떨어지는 교체된 전기차용 이차전지도 잔존용량의 충, 방전이 지속적으로 가능하기에 ESS로 재사용을 진행하여 자원 선순한 생태계의 구축이 가능하다. 하지만, 현재 폐 이차전지 재사용의 사업화 사례는 보고되지 않았다.
재활용(Re-Cycle)
재활용은 폐 이차전지의 전극 활물질로부터 고가의 희귀금속 (Rare-metal)을 추출 및 정제하여 전적으로 수입에 의존하고 있는 원료 공급의 안정성에 기여가 가능한 방법을 말한다. 소형 이차전지의 양극 활물질에 다량 함유되어 있으며, 가격이 비싼 코발트(Co)와 물리적 파손으로 인해 ESS의 전원장치로도 사용이 불가능한 중, 대형 이차전지의 경우 전지내 함유된 고가의 금속을 화학공정을 통해 추출 및 정제를 통해 활용이 가능한 자원으로 처리할 수 있다. 국내, 외를 막론하고 재활용을 사업화하고 있는 기업들이 있으며, 배터리를 생산하고 있는 여러 대기업에서도 배터리 재활용의 사업화를 진행하고자 하고 있다. 현재 국내에서는 성일하이텍이 폐 이차전지 재활용을 사업화하여 진행하고 있으며, 국외의 경우 벨기에 기업인 Umicore등이 사업화하여 진행하고 있다.
국/내외 재활용 기술 트렌드
국내 배터리 재활용은 소형 배터리의 재활용에 집중되어 있다. 이차전지 내 고가의 희유금속을 화학공정을 통해 추출하는 것을 중심으로 진행되고 있음. 리튬 이차전지 내에서 주로 추출하는 희유금속은 코발트, 니켈, 망간, 그리고 리튬 등이 있다. 이러한 희유금속을 회수하는 회수공정은 전처리와 후처리로 나뉘게 되는데 전처리 과정에서는 폐전지 방전을 통해 폭발을 방지하고 분쇄기를 사용하여 파쇄 후, 자석 등을 활용하여 각 부품별로 분류를 진행한다. 후처리 과정에서는 황산용액 (H2SO4)을 활용하여 황산 코발트 (CoSO4)나 망간 코발트(MnSO4)등으로 회수하고, 정제과정을 반복하여 희유 금속을 정제하게 된다.
<그림 1. 배터리 재활용 공정도>1)
이렇게 폐전지에서 희유금속 회수를 통한 재활용이 가능한 업체는 많지 않다. 국내에는 성일하이텍이 있고, 벨기에의 Umicore, 중국의 Brump, GEM 등이 있다. 전기차용 베터리를 제작하는 국내 대기업들 또한 국내외 폐 이차전지 재활용 업체와의 협력을 통해 재활용을 활성화하고자 하며 그 예로 최근 LG화학과 LG 에너지 솔루션의 경우 북미 최대 배터리 리사이클링 업체인 Li-Cycle과 협력하고자 600억원 규모의 투자를 진행하기도 하였다.
국/내외 정책 동향
최근까지 국내에는 이러한 폐 이차전지의 재활용의 기준이 될 법률이 없었으나 2018년 환경부의 “원료 중 중금속 또는 폭발성 물질을 포함하고 있는 미래 폐자원의 적정처리 및 재활용을 위한 [전기, 전자제품 및 자동차의 자원순환에 관한 법률] 및 [폐기물관리법]을 개정하여 유해물질에 의한 환경 영향을 줄이고, 재활용을 촉진하여 환경 보전 및 경제 발전에 이바지하고자 함을 알렸다. 이러한 법률의 개정을 통해 폐 이차전지의 해체 및 보관 방법에 관한 매뉴얼을 보급하고 성능 검사 기준 마련과 이에 따른 재사용 혹은 재활용 방법 및 기준을 마련하고자 한다.
또한 정부는 2020년부터 총 171억 원의 예산을 투입하여 ‘미래폐자원 거점 수거센터’를 통한 공공 수거체계 구축을 추진하고 있다. 이를 통해 수거된 폐 이차전지는 기초검사를 거쳐 안전하게 보관하거나 재활용업체에 공급을 추진하고 있으며 이를 활용하여 에너지저장시스템이나 개인형 교통수단의 전원장치로 재사용을 진행하고, 재사용이 어려운 경우에는 분해를 진행하여 희유금속을 회수하는 방식으로 재활용을 진행할 예정이다.
해외의 경우 미국, EU, 중국의 기준이 대표적이다.
먼저 미국의 경우 2019년 기준 배터리 재활용 인프라에 2050만 달러를 투자하였으며, 현재 배터리 수거 및 재처리율을 5% 수준에서 90%수준으로 확대할 계획이라고 밝혔다. 다만 규제에 있어 연방정부 차원의 규제가 아닌 주정부 차원의 규제가 존재하여 지역별 차이가 존재한다.
EU의 경우 2006년 배터리 관련 법안인 EU 배터리 지침을 발표하였으며, 2019년에는 이 지침에 대한 자체평가를 실시하는 모습을 보여주었다. EU 의회는 지금까지 배터리 지침이 긍정적인 효과를 내고 있으나 지침자체에 법적 의무가 없고 재활용 물질에 관한 구체적인 목표가 없어 한계가 있음을 인지하고 이를 보완하기 위하여 2020년 12월에 새로운 배터리 규제안을 발표하였다.
중국의 경우 2018년 7월부터 폐 배터리 재활용 시범사업을 시행하여 각 지방에 배터리 재활용 센터를 세우고 배터리 제조사, 중고차 판매상, 폐기물 회사와 공동으로 폐 배터리 회수 및 재판매가 가능한 시스템을 구축하고 자동차 제조사에 배터리 회수 및 재활용 네트워크 구축의 책임을 지우고 배터리 추적 시스템을 갖추도록 하였다. 이러한 재활용 사업을 독려하기 위하여 “신에너지자동차 배터리 회수, 이용 잠정 방법”을 발표하고 2018년 8월부로 시행하였다.
국/내외 재활용 시장
국내 배터리 재활용 시장은 2020년 기준 1억 6천만 달러 수준에서 연평균 성장률 6.1%로 증가하여 2025년에는 2억 2천만 달러 수준에 이를 것으로 전망한다. 다만 대부분의 배터리 재활용은 리튬 이차전지가 아닌 납축전지가 차지할 것으로 보인다. 국내 전기차 폐 배터리 배출은 2019년 1백대에서 2029년 7만 9천대 수준으로 증가할 것으로 예상된다.
글로벌 배터리 재활용 시장은 2020년 172억 달러에서 연평균 6.1% 수준의 성장률을 보이며 2025년에는 232억 달러에 이를 것으로 전망한다. 물론 글로벌 배터리 재활용 시장 또한 납축전지가 약 87% 수준을 차지하고 있으나, 유럽 및 미국 등에서 배터리 재활용을 위한 엄격한 규범과 표준을 도입 중에 있어 앞으로 리튬 이차전지의 재활용은 선택이 아닌 필수가 될 것으로 보인다.
출처: 폐리튬 2차전지의 Re-Use와 Re-Cycling 산업 및 기술현황, KDB미래전략연구소, 2019
유망시장 Issue Report, 배터리 재활용 동향 분석, INNOPOLIS 연구개발특구진흥재단, 2021
이차전지의 재활용
리튬 이차전지는 여러 매체를 통해 알려진 바와 같이 전기차 수요의 증가, 다양한 소형 전자장치의 개발 등에 따라 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 하지만, 이차전지는 사용 한계가 존재하고 사용 한계를 넘은 이차전지는 성능상의 문제가 발생하기 때문에 폐기된다. 이러한 폐 이차전지의 용도를 변환하여 사용 기간을 증가시키고, 재활용하여 원천 재료에 대한 수요 증가를 일정부분 감소시켜 원자재 수급 문제에 대응하는 방안에 대한 논의가 현재 진행되고 있다. 이러한 이차전지 재활용은 환경 영향을 감소시키고, 제작에 들어가는 에너지 저감, 원자재 공급 제약 완화, 경제성 확보 등 다양한 장점이 있다. 이러한 이차전지의 재활용에는 크게 두가지 방안이 존재하는데 이를 재사용(Re-use)과 재활용(Re-cycle)이라고 한다. 이러한 리튬 이차전지의 재활용은 전기자동차 산업에서 가장 크게 이루어질 것으로 예상된다. 하지만 현재 전기자동차용 이차전지의 경우 기업별로 다양한 형태와 크기로 설계되어 탈거 및 해체작업의 자동화가 어려워 작업자의 수작업으로 진행되는 노동집약적 방향으로 진행될 수밖에 없는 상황이다. 또한, 해체 중 유독가스의 발생 및 화재가 발생할 수 있기 때문에, 이에 대비한 소방설비 및 적재, 보관 시스템이 구비되어야 한다.
재사용(Re-use)
재사용은 전기차의 배터리와 같이 특정 성능 이하(초기 용량대비 70%)로 감소하면 주행거리 감소, 충전 속도 저하 및 안전성 위험 증가와 같은 운행상의 문제가 생겨 더 이상 기존 목적으로 사용이 불가능한 이차전지를 ESS(에너지 저장 장치: Energy Storage System)의 전원으로 사용하는 방안이 대표적이다. 주로 태양광 패널의 백업용 전력 저장을 위한 전지로 사용된다. 효율이 다소 떨어지는 교체된 전기차용 이차전지도 잔존용량의 충, 방전이 지속적으로 가능하기에 ESS로 재사용을 진행하여 자원 선순한 생태계의 구축이 가능하다. 하지만, 현재 폐 이차전지 재사용의 사업화 사례는 보고되지 않았다.
재활용(Re-Cycle)
재활용은 폐 이차전지의 전극 활물질로부터 고가의 희귀금속 (Rare-metal)을 추출 및 정제하여 전적으로 수입에 의존하고 있는 원료 공급의 안정성에 기여가 가능한 방법을 말한다. 소형 이차전지의 양극 활물질에 다량 함유되어 있으며, 가격이 비싼 코발트(Co)와 물리적 파손으로 인해 ESS의 전원장치로도 사용이 불가능한 중, 대형 이차전지의 경우 전지내 함유된 고가의 금속을 화학공정을 통해 추출 및 정제를 통해 활용이 가능한 자원으로 처리할 수 있다. 국내, 외를 막론하고 재활용을 사업화하고 있는 기업들이 있으며, 배터리를 생산하고 있는 여러 대기업에서도 배터리 재활용의 사업화를 진행하고자 하고 있다. 현재 국내에서는 성일하이텍이 폐 이차전지 재활용을 사업화하여 진행하고 있으며, 국외의 경우 벨기에 기업인 Umicore등이 사업화하여 진행하고 있다.
국/내외 재활용 기술 트렌드
국내 배터리 재활용은 소형 배터리의 재활용에 집중되어 있다. 이차전지 내 고가의 희유금속을 화학공정을 통해 추출하는 것을 중심으로 진행되고 있음. 리튬 이차전지 내에서 주로 추출하는 희유금속은 코발트, 니켈, 망간, 그리고 리튬 등이 있다. 이러한 희유금속을 회수하는 회수공정은 전처리와 후처리로 나뉘게 되는데 전처리 과정에서는 폐전지 방전을 통해 폭발을 방지하고 분쇄기를 사용하여 파쇄 후, 자석 등을 활용하여 각 부품별로 분류를 진행한다. 후처리 과정에서는 황산용액 (H2SO4)을 활용하여 황산 코발트 (CoSO4)나 망간 코발트(MnSO4)등으로 회수하고, 정제과정을 반복하여 희유 금속을 정제하게 된다.
<그림 1. 배터리 재활용 공정도>1)
이렇게 폐전지에서 희유금속 회수를 통한 재활용이 가능한 업체는 많지 않다. 국내에는 성일하이텍이 있고, 벨기에의 Umicore, 중국의 Brump, GEM 등이 있다. 전기차용 베터리를 제작하는 국내 대기업들 또한 국내외 폐 이차전지 재활용 업체와의 협력을 통해 재활용을 활성화하고자 하며 그 예로 최근 LG화학과 LG 에너지 솔루션의 경우 북미 최대 배터리 리사이클링 업체인 Li-Cycle과 협력하고자 600억원 규모의 투자를 진행하기도 하였다.
국/내외 정책 동향
최근까지 국내에는 이러한 폐 이차전지의 재활용의 기준이 될 법률이 없었으나 2018년 환경부의 “원료 중 중금속 또는 폭발성 물질을 포함하고 있는 미래 폐자원의 적정처리 및 재활용을 위한 [전기, 전자제품 및 자동차의 자원순환에 관한 법률] 및 [폐기물관리법]을 개정하여 유해물질에 의한 환경 영향을 줄이고, 재활용을 촉진하여 환경 보전 및 경제 발전에 이바지하고자 함을 알렸다. 이러한 법률의 개정을 통해 폐 이차전지의 해체 및 보관 방법에 관한 매뉴얼을 보급하고 성능 검사 기준 마련과 이에 따른 재사용 혹은 재활용 방법 및 기준을 마련하고자 한다.
또한 정부는 2020년부터 총 171억 원의 예산을 투입하여 ‘미래폐자원 거점 수거센터’를 통한 공공 수거체계 구축을 추진하고 있다. 이를 통해 수거된 폐 이차전지는 기초검사를 거쳐 안전하게 보관하거나 재활용업체에 공급을 추진하고 있으며 이를 활용하여 에너지저장시스템이나 개인형 교통수단의 전원장치로 재사용을 진행하고, 재사용이 어려운 경우에는 분해를 진행하여 희유금속을 회수하는 방식으로 재활용을 진행할 예정이다.
해외의 경우 미국, EU, 중국의 기준이 대표적이다.
먼저 미국의 경우 2019년 기준 배터리 재활용 인프라에 2050만 달러를 투자하였으며, 현재 배터리 수거 및 재처리율을 5% 수준에서 90%수준으로 확대할 계획이라고 밝혔다. 다만 규제에 있어 연방정부 차원의 규제가 아닌 주정부 차원의 규제가 존재하여 지역별 차이가 존재한다.
EU의 경우 2006년 배터리 관련 법안인 EU 배터리 지침을 발표하였으며, 2019년에는 이 지침에 대한 자체평가를 실시하는 모습을 보여주었다. EU 의회는 지금까지 배터리 지침이 긍정적인 효과를 내고 있으나 지침자체에 법적 의무가 없고 재활용 물질에 관한 구체적인 목표가 없어 한계가 있음을 인지하고 이를 보완하기 위하여 2020년 12월에 새로운 배터리 규제안을 발표하였다.
중국의 경우 2018년 7월부터 폐 배터리 재활용 시범사업을 시행하여 각 지방에 배터리 재활용 센터를 세우고 배터리 제조사, 중고차 판매상, 폐기물 회사와 공동으로 폐 배터리 회수 및 재판매가 가능한 시스템을 구축하고 자동차 제조사에 배터리 회수 및 재활용 네트워크 구축의 책임을 지우고 배터리 추적 시스템을 갖추도록 하였다. 이러한 재활용 사업을 독려하기 위하여 “신에너지자동차 배터리 회수, 이용 잠정 방법”을 발표하고 2018년 8월부로 시행하였다.
국/내외 재활용 시장
국내 배터리 재활용 시장은 2020년 기준 1억 6천만 달러 수준에서 연평균 성장률 6.1%로 증가하여 2025년에는 2억 2천만 달러 수준에 이를 것으로 전망한다. 다만 대부분의 배터리 재활용은 리튬 이차전지가 아닌 납축전지가 차지할 것으로 보인다. 국내 전기차 폐 배터리 배출은 2019년 1백대에서 2029년 7만 9천대 수준으로 증가할 것으로 예상된다.
글로벌 배터리 재활용 시장은 2020년 172억 달러에서 연평균 6.1% 수준의 성장률을 보이며 2025년에는 232억 달러에 이를 것으로 전망한다. 물론 글로벌 배터리 재활용 시장 또한 납축전지가 약 87% 수준을 차지하고 있으나, 유럽 및 미국 등에서 배터리 재활용을 위한 엄격한 규범과 표준을 도입 중에 있어 앞으로 리튬 이차전지의 재활용은 선택이 아닌 필수가 될 것으로 보인다.
출처: 폐리튬 2차전지의 Re-Use와 Re-Cycling 산업 및 기술현황, KDB미래전략연구소, 2019
유망시장 Issue Report, 배터리 재활용 동향 분석, INNOPOLIS 연구개발특구진흥재단, 2021